软开关非线性电路作业

软开关非线性电路软开关非线性电路结课论文结课论文软开关电源分析专专 业业 电气工程电气工程 学学 号号 2013203211 姓姓 名名 李龙吉李龙吉 天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院2014 年年 9 月月 20 日日软开关电源分析第一章 绪论一 背景意义1955 年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控 制电路的开端，1957 年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在 1964 年美国科学家们提 出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到 1969 年终于做成了 25 千赫的开关电源，这 一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门 课题。 自 20 世纪 60 年代开始得到发展和应用的 DC-DC 功率变换技术其实是一种硬开关技 术。60 年代中期，美国已研制成 20kHzDC-DC 变换器及电力电子开关器件，并应用于通信 设备供电。由于这种技术抛弃了 50Hz 工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小， 提高了效率，输出高质量的直流电。到 70 年代初期已被先进国家普遍采用。早期开关电源 的控制电路一般以分立元件非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在 1977 年左右开始 进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。80 年代初英国 采用上述原理，研制了第一套完整的 48V 成套电源，即目前所谓的开关电源或开关整流器。70 年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断 研究开发高频软开关技术。最先在 70 年代出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器 (Resonant Converters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串 联谐振变换器(SerieSresonantConverters，SRCS)和并联谐振变换器(Parallelresonant converters，PRCS)两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负 载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 准谐振变换器(Quasi-resonant Converters QRCS)和多谐振变换器(Multi- resonantconverters，MRCS)出现在 80 年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器 中的 谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方 法。 80 年代末出现了零开关 PWM 变换器(Zero switching PWM converters)。它可以分为零电压 开关 P 恻变换器(Zero-voltage-Switching PWM converters)和零电流开关 PWM 变换器 (Zero- Current-Switching Pwm Coventers)。它采用的是 PWM 控制，谐振元件的谐振工作时间一般 为开关周期的 1/10-1/590 年代初出现了零转换 PWM 变换器。它也分为零电压转换 PWM 变换器和零电流转换 PWM 变换器。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作 在 PWM 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的 软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。 在环境保护意识日益加强的 21 世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色 化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染;其次是电源不能(或少)对电网产 生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源:向电网注入严重的谐波电流， 使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20 世纪末各种有源滤波器和 有源补偿器方案诞生，有了功率校正的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。电源技术发展到今天，融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电 磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，己从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率 电子学。 电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及技术性能直接影响到电网的运行和设备的 安全;在通信网络中，通信电源的优劣直接影响各种通信的质量和效果，因此人们极为重视 电源的质量和技术性能。而研制新型电源和电源仿真的研究也就变得有十分重要的意义。 在中大功率 DC-DC 变换器中一般采用全桥变换的电路结构，全桥变换器有两种典型 的控制方式 PWM 控制和移相控制，PWM 控制方式因为具有许多优良的性能应用十分普遍。 但是由于 PWM 控制方式变换器中的开关器件工作在硬开关状态，每个周期都在高电压下 开通，大电流下关断，器件承受的开关应力大，并在高频 PWM 中会产生相当可观的开关 损耗，而且开关损耗随开关频率的提高而增大，使得变换器很难实现高频化，从而造成开 关电源体 积大以及产生严重的电磁干扰等问题。 为了解决硬开关的这些问题，Divan 博士提出了软开关的概念。采用软开关技术，功 率器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可以有效的降低开关损耗，理论上为零开关 损耗。对于采用移相控制的软开关变换器来说，实现超前臂和滞后臂软开关方式的方法很 多，也很复杂，本文在对软开关理论分析的基础上，对 ZVZCS 全桥变换器的软开关工作 方式加以仿真研究。 现在开关电源的应用中，在开关动作时，开关电流、电压的上升率大，因而应力大; 高频化使得电源体积减小，散热条件变差，变换器的内部工作环境恶化;开关器件频繁开 通和关断，在一定条件下会产生谐波，污染电网的用电环境。同时新型变换器元件类型多、参数复杂，如果都采用高质量、高精度的元件又会造成成本提高，市场竞争力下降。对于 这些复杂的问题，使用传统的设计方法很难解决。应用计算机仿真来辅助设计，选择适合 的软件，上述的问题就会得到一定的解决。在仿真时，读取电路中任意一条支路的电流以 及各个点之间的电压非常容易。而且仿真软件还可进行频率响应、噪声分析、参数变化分 析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析等等，这些都是简单的实验所不能完成的。 自从 60 年代计算机应用以来，对分析电路和系统提出过很多分析方法，但是对于以 开关状态工作的电路与系统，直到 70 年代才有相应的仿真软件出现。其中应用比较普遍 并且对开关工作电路与系统仿真产生影响的有如下几种: CANCER:美国加州大学伯克利分校创建的原始电路模拟程序，以此为蓝本发展 SPICE。后来，基于改进节点分析法形成了 SPICE2，获得了很大成功并广泛应用。 ECAP(electronic cireuit analysis program):分析电子线路的程序，在前期发挥过一定的作用。 SCAP(Switching Conventer analysis program):美国加州理工学院研制开发，以状态空间平均 法为基础的分析方法，应用也比较广泛。 还有以节点分析法为基础的 EMPT(电力系统瞬态分析工具)，APT(功率变换器和电气 传动仿真工具)等软件也在一定范围内得到应用。 目前较为普遍使用的计算机辅助设计软件有:MATLAB、ICAP、ORCAD 等等， MATLAB 是命令驱动的交互式程序，可对微分方程、结构图模拟以及数字系统进行仿真; ICAP 是 SPICE 发展形成的一种电路分析程序，在 windows 下运行，可以用电路或图形方式输入，可以用 于变压器、整流器、静止变换器、电网供电、保护装置等系统的仿真。二二 课题研究的主要内容及工作重点课题研究的主要内容及工作重点本文主要对全桥变换的软开关电源进行了理论上的分析和仿真研究。其中包括开关电 源工作中开关损耗的产生原因、开关电源拓扑结构的分类、全桥式变换电路控制方式的研 究和分析、软开关的不同类别及其实现方式、ZVZCS 软开关变换器主电路的分析与设计、 尸 SP 工 CE 仿真分析;电源控制结构的 MATLAB 模型仿真。主要是以下几个方面： 1.开关电源软开关技术的理论分析，着重分析了软开关 ZVZCS 方式的各个工作模态、 超前臂和滞后臂的控制方式以及超前、滞后桥臂的死区形成问题;变换器在零状态时的电 流复位问题。 2.开关电源功率变换主电路的结构设计和参数设计。其中包括输入和输出整流滤波电路、 IGBT 全桥变换器、高频变压器等主要部分的器件选择和参数计算。 3.使用 PSPICE 软件对移相控制的 ZVZCS 软开关电源的电路拓扑进行了仿真，并且在 仿真波形中清楚的看到了超前桥臂的 ZVS 工作方式以及滞后桥臂的 ZCS 工作方式，验证 了 本文对于软开关技术的理论分析和软开关工作方式分析是正确的。 4.应用 Matlab 软件对系统控制部分进行了设计和仿真。首先采用频率法对控制器进 行了设计，绘出了所设计环节的波特图，分析了控制器对系统动态、静态性能的改善。然 后应用 Simulink 建立了系统的数学模型，得到了系统的阶跃响应。针对负载变化和电网 波动进行相应的仿真试验，仿真图说明了系统具有较好的动态性能和稳定裕量。第二章 软开关技术的分类一.开关电源的开关损耗和软开关技术的由来在电力开关变换器的发展过程中，PWM 为电力电子技术的发展揭开了新的序幕。 PWM 技术以其电路简单，控制方便而获得了广泛应用。一般说来，PWM 技术是指在开关 变换过程中保持开关频率恒定但是通过改变开关的接通时间长短，使得当负载变化时，负 载上的电压输出变化不大的方法。但是这种开关技术是一种“硬开关” ，即开关管的通断控 制与开关管上流过的电流和器件两端所加的电压无关，功率开关管的开通和关断是在器件 上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，开关损耗很大。尤其是现代电力电子技术 正在向高频更高频的方向发展，PWM 硬开关技术使得开关损耗已经成为高频化发展的显 著障碍。图 1 硬开关状态下的开关管开通和关断波形 开关电源中所应用的功率开关器件 GTR、MOSFET、IGBT 等并不是理想的开关器件。 在硬开关电源技术中，如图 1 在开通的过程中开关管的电压不是立即下降到零，而是有一 个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间 里，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开通损耗(Turn-on loss)。其值为()0Tsloss oncecepV Idt（TS 是开通关断时间） 当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，而是有一个上升时间，同 时开关管的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里电压和电流也有 一个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗(Tum-off loss)其值同样可以由上式计算得到。 将开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损耗通称之为开关损耗。 在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换器的频率则 开关管的开关损耗也随着增加，总开关损耗为() 00tsofftsonloss oncecececepfV I dtfV I dtf 是开关频率。由此式可得，开关频率越高损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的 存在严重地限制了开关电源的小型化和轻量化以及开关频率的提高。图 2 开关管轨迹 开关管工作在硬开关状态下，会产生很高的 dv/dt 和 di/dt，从而产生较大的电磁干扰, 同时在开关过程中开关管也会承受较大的电压和电流应力，由图 2 的开关管开关轨迹可以 看出，硬开关方式的工作状态很容易超出安全工作区，导致开关管的损坏。为了减小开关 管在工作时产生的电磁干扰和免受过压过流损坏同时减小开关电源的体积和重量，必须实 现高频化，高效率化，其方法就是减小开关损耗。减小开关损耗的方法除了选择高性能的 器件外还有就是实现变换器开关管的软开关。 在 20 世纪 70 年代中期，针对硬开关换流过程中存在的问题，学术界研究了频率调制 的谐振技术，其实是一种调频的办法。它的核心内容是抛弃将功率电路各个元器